Entendendo os HDs: mídia e correção de erros

Entendendo os HDs: mídia e correção de erros

A capacidade de um HD é determinada por basicamente dois fatores: a tecnologia utilizada, que determina sua densidade e o diâmetro dos discos, que determina a área útil de gravação. A densidade de gravação dos HDs tem aumentado de forma surpreendente, com a introdução de sucessivas novas técnicas de fabricação. Para você ter uma idéia, no IBM 350 os discos eram simplesmente pintados usando uma tinta especial contendo limalha de ferro, um processo bastante primitivo.
Com o passar do tempo, passou a ser usado o processo de eletroplating, que é semelhante à eletrólise usada para banhar bijuterias à ouro. Esta técnica não permite uma superfície muito uniforme e justamente por isso só funciona em discos de baixa densidade. Ela foi usada até o final da década de 80.
A técnica usada atualmente (chamada de sputtering) é muito mais precisa. Nela a superfície magnética é construída depositando grãos microscópicos de forma incrivelmente uniforme. Quanto menores os grãos, mais fina e sensível é a superfície, permitindo densidades de gravação mais altas.
A densidade de gravação de um HD é medida em gigabits por polegada quadrada. Os HDs fabricados na segunda metade de 2006, por exemplo, utilizavam em sua maioria discos com densidade de 100 gigabits (ou 12.5 GB) por polegada quadrada. Neles, cada bit é armazenado em uma área magnética com aproximadamente 200×50 nanômetros (uma área pouco maior que a de um transístor nos processadores fabricados numa técnica de 0.09 micron) e é composta por apenas algumas centenas de grãos magnéticos. Estes grãos medem apenas alguns nanômetros e são compostos por ligas de cobalto, cromo, platina, boro e outros materiais raros, muito longe da limalha de ferro utilizada pelos pioneiros.
Considerando que os discos giram a 7200 RPM e a cabeça de leitura lê os dados a mais de 50 MB/s (quando lendo setores seqüenciais), atingir densidades como as atuais é simplesmente impressionante.

Em um HD, a área referente a cada bit armazenado funciona como um minúsculo ímã, que tem sua orientação magnética alterada pela cabeça de leitura. Quando ela é orientada em um sentido temos um bit 1 e no sentido oposto temos um bit 0. A área da superfície utilizada para a gravação de cada bit é chamada de "magnetic element", ou elemento magnético.
A tecnologia usada nos HDs fabricados até a primeira metade de 2007 é chamada de gravação longitudinal (longitudinal recording), onde a orientação magnética dos bits é gravada na horizontal, de forma paralela à mídia. O problema é que a partir dos 100 gigabits por polegada quadrada, tornou-se muito difícil aumentar a densidade de gravação, o que acelerou a migração para o sistema de gravação perpendicular (perpendicular recording), onde a orientação magnética passa a ser feita na vertical, aumentando muito a densidade dos discos.
Estima-se que, utilizando gravação longitudinal, seria possível atingir densidades de no máximo 200 gigabits por polegada, enquanto que utilizando gravação perpendicular seja possível atingir até 10 vezes mais. Isso significa que os fabricantes ainda terão margem para produzir HDs de até 10 terabytes antes de esgotar as possibilidades oferecidas pela nova tecnologia.
Em seguida, temos a questão do diâmetro dos discos. Como vimos, os primeiros HDs eram gigantescos, e utilizavam discos de até 24 polegadas de diâmetro. Com o passar das décadas, os discos foram encolhendo, até chegar ao que temos hoje.
Mas, como tudo na vida, existem receitas ideais para o tamanho dos discos magnéticos, de acordo com a área onde eles serão utilizados. A partir de um certo nível de miniaturização, o custo por megabyte se torna mais alto que o dos cartões de memória Flash, e os HDs deixam de ser viáveis. O melhor exemplo é o HD de 0.85" apresentado pela Toshiba em 2005, que tinha como objetivo atender o mercado de palmtops e smartphones. Ele era tão pequeno que podia ser produzido no formato de um cartão SD e possuía um consumo elétrico baixíssimo:

O problema é que ele seria lançado em versões de apenas 2 e 4 GB, com preços a partir de US$ 150. Com a rápida queda no custo da memória Flash, logo surgiram cartões de 2 e 4 GB que custavam menos, de forma que o mini-HD acabou não encontrando seu lugar no mercado e foi descontinuado silenciosamente.
Concluindo, temos a questão da detecção e correção de erros, que faz parte do processo de leitura e gravação.
Por melhor que seja sua qualidade, nenhuma mídia magnética é 100% confiável (como pode confirmar quem já teve o desprazer de trabalhar com disquetes ;). Pequenas falhas na superfície da mídia podem levar a erros de leitura, sobretudo quando ela possui uma densidade de gravação de mais de 100 gigabits por polegada quadrada e gira a 7.200 RPM ou mais, como nos HDs atuais.
Isso não significa que o seu HD vá pifar amanhã, mas que são comuns erros na leitura de um setor ou outro. Obviamente, como todos os nossos dados importantes são guardados no disco rígido, a possibilidade de erros na leitura de "um setor ou outro" não seria aceitável, principalmente no caso de máquinas destinadas a operações críticas. Imagine se, nesse "setor ou outro" do servidor de um grande banco, estivessem gravados os dados referentes à conta bancária de um cliente importante, por exemplo.
De modo a tornar os HDs uma forma de armazenamento confiável, os fabricantes utilizam sistemas de ECC para detectar e corrigir erros de leitura eventualmente encontrados. O ECC é o mesmo sistema utilizado em módulos de memória destinados a servidores e também em CD-ROMs, onde são usados nada menos do que 276 bytes de códigos de correção de erros para cada setor de 2048 bytes.
Em um HD, cada setor armazena, além dos 512 bytes de dados, mais algumas dezenas de bytes contendo os códigos ECC. A criação dos bytes de ECC, assim como sua utilização posterior é feita pela placa lógica, um processo automático que é feito de forma completamente transparente ao sistema operacional.
Quando um setor é lido pela cabeça de leitura, juntamente com os dados são lidos alguns dos códigos ECC, que visam apenas verificar se os dados que estão sendo lidos são os mesmos que foram gravados, uma técnica que lembra o sistema de paridade antigamente usado na memória RAM. Caso seja verificado um erro, são usados os demais códigos para tentar corrigir o problema. Na grande maioria dos casos, esta primeira tentativa é suficiente. Estes erros transitórios, que são corrigidos com a ajuda dos códigos ECC são chamados de "soft errors" e não causam nenhum efeito colateral além de um delay de alguns milissegundos na leitura.
Caso não seja possível corrigir o erro usando o ECC, a controladora faz uma nova tentativa de leitura do setor, pois é grande a possibilidade do erro ter sido causado por alguma interferência ou instabilidade momentânea. Caso o erro persista, ela fará várias tentativas sucessivas, reduzindo a velocidade de rotação dos discos e comparando o resultado de várias leituras, de forma a tentar recuperar os dados gravados no setor. Esse processo gera aquele ruído característico de HD sendo "mastigado" e quase sempre indica o aparecimento de um badblock. Por serem defeitos físicos na mídia magnética, não existe muito o que fazer com relação a eles. O jeito é marcar os badblocks, de forma que eles não sejam mais usados.
Os HDs atuais são capazes de marcar automaticamente os setores defeituosos. A própria controladora faz isso, independentemente do sistema operacional. Existe uma área reservada no início do disco chamada "defect map" (mapa de defeitos) com alguns milhares de setores que ficam reservados para alocação posterior. Sempre que a controladora do HD encontra um erro ao ler ou gravar num determinado setor, ela remapeia o setor defeituoso, substituindo-o pelo endereço de um setor "bom", dentro do defect map. Como a alocação é feita pela própria controladora, o HD continua parecendo intacto para o sistema operacional.

Hardware